広域マルチラテレーションの広域マルチラテレ ションの基礎実験結果

宮崎，古賀，上田，角張，二瓶（ＣＮＳ領域 機上等技術領域）（ＣＮＳ領域，機上等技術領域）

11

広域マルチラテレーションとは？（WAM: Wide Area Multilateration）

○アプローチ，ターミナル等の空域を監視

飛行中の航空機

A D受信局

飛行中の航空機

CB

監視

空港 監視CB

空港面監視ではない

→電子研ではWAM開発の研究を進めている

22

発表内容

○研究の背景・目的○研究の背景 目的○広域マルチラテレーションの概要○ 評価用装置○WAM評価用装置○基礎実験○基礎実験

33

研究の背景

○羽田・成田では滑走路の増設・延伸○羽田 成田では滑走路の増設 延伸→空港容量の拡張

○交通量の増大：安全かつ円滑な運航管制を支援す を検→管制を支援するシステムを検討

○空港面監視→マルチラテレーション→マルチラテレ ション

44

研究の背景

○空港拡張後：高度な運用方式○空港拡張後：高度な運用方式→井桁運用・並行滑走路の同時離着陸

羽田：井桁運用 成田：同時出発

着陸

離陸着陸

離陸

南風

離陸

離着陸のタイミングが滑走路間で依存

離陸後の並行区間が長い

55

が滑走路間で依存離陸後 行 間 長

研究の背景

○空港拡張後：高度な運用方式○空港拡張後：高度な運用方式→井桁運用・並行滑走路の同時離着陸

○空港の処理容量を最大限に発揮空港 も高頻度 高精度 監視→空港周辺も高頻度・高精度で監視

○現用のターミナル・レーダー→更新頻度や監視覆域に課題を持つ→更新頻度や監視覆域に課題を持つ

広域マルチラテレーション（WAM）66

広域マルチラテレ ション（WAM）

羽田・成田周囲の空域

○米軍・自衛隊の空域や環境的な制約航空機は限られた狭い経路を飛行→航空機は限られた狭い経路を飛行

百里環境的な制約

横田

成田羽田

羽田

より高性能な監視システムが求められる77

より高性能な監視システムが求められる

研究の目的

○WAM評価用装置を製作高性能化を重点に機能 性能を評価→高性能化を重点に機能・性能を評価

→我が国における高度なWAM技術を確立我 国 おける高度な 技術を確

基礎実験の目的

○羽田空港周辺に評価用装置を設置→高性能化に適用した技術の事前検証→高性能化に適用した技術の事前検証

88

特徴

２次監視レーダーの課題を克服可能

ターミナルSSR WAM

更新頻度 4秒 1秒平均

覆域 固定（地形に影響） 柔軟に設計可覆域 固定（地形に影響） 柔軟に設計可

ブラインド 近傍，空中線直上 基本的になし

○航空機側に追加装備を必要としない→地上側機材の整備で運用開始可能

99SSR: Secondary Surveillance Radar

測位原理

T T受信局

A D

TD-TA受信局

T T

TC-TA双曲面

B

C

TB-TA

C

3次元測位

○最低4局の受信局で信号を検出1010

○最低4局の受信局で信号を検出

高性能化のポイント

○位置を信号到達時刻差から幾何学的に算出

→信号検出時刻の測定精度（σ）・受信局間の時刻同期精度受信局間の時刻同期精度・時刻検出の分解能

→精度劣化指数（DOP）・航空機と受信局の位置関係・航空機と受信局の位置関係

位置精度 σ×DOP位置精度＝σ×DOP

1111DOP: Dilution Of Precision

信号検出時間の測定精度

手法 同期精度

○受信局間の時刻同期

手法 同期精度

基準局方式 5～10ナノ秒

単独GPS方式 10～20ナノ秒

GPS Common View方式 2～5ナノ秒

AD基準局

× A

C

D

B

××

○基準局からの見通しが必要→WAMでは困難1212

○基準局からの見通しが必要 WAMでは困難

信号検出時間の測定精度

手法 同期精度

○受信局間の時刻同期手法 同期精度

基準局方式 5～10ナノ秒

単独GPS方式 10～20ナノ秒

GPS Common View方式 2～5ナノ秒

D

GPS

A

C

D

B CB

○実相は容易だが他方式よりも同期精度が劣る1313

○実相は容易だが他方式よりも同期精度が劣る

信号検出時間の測定精度

手法 同期精度

○受信局間の時刻同期手法 同期精度

基準局方式 5～10ナノ秒

単独GPS方式 10～20ナノ秒

GPS Common View方式 2～5ナノ秒

Dtk

A

C

D

B Δtbc=(tc-tk)-(tb-t

k)tctb衛星の時計

誤差を相殺 CB

○実相は容易ではないが高い同期精度を達成可

bc c b= tc-tb誤差を相殺

1414

○実相は容易ではないが高い同期精度を達成可

高性能化のポイント

○位置を信号到達時刻差から幾何学的に算出

→信号検出時刻の測定精度（σ）・受信局間の時刻同期精度受信局間の時刻同期精度・時刻検出の分解能

→精度劣化指数（DOP）・航空機と受信局の位置関係・航空機と受信局の位置関係

位置精度 σ×DOP位置精度＝σ×DOP

1515DOP: Dilution Of Precision

信号検出時間の測定精度

○時刻検出の分解能

プ ブ ブプリアンブル01 1 0 10

データブロック

モードSスキッタ信号モ ドSスキッタ信号

時刻検出 時刻検出

高分解能

低いサンプリング 高いサンプリングサンプリング周波数を高くすることが重要1616

低いサンプリング 高いサンプリングサンプリング周波数を高くすることが重要

性能低下の要因

○信号干渉（干渉パルスの重畳）

プ ブ ブプリアンブル01 1 0 1

データブロック1

正しい時刻 干渉パルス

時刻検出 干渉パルス

正しい時刻

0

干渉パルス

1 0

到達時刻の誤検出 デ タの誤解読干渉に強い信号処理技術の採用が重要1717

到達時刻の誤検出 データの誤解読干渉に強い信号処理技術の採用が重要

高性能化のポイント

○位置を信号到達時刻差から幾何学的に算出

→信号検出時刻の測定精度（σ）・受信局間の時刻同期精度受信局間の時刻同期精度・時刻検出の分解能

→精度劣化指数（DOP）・航空機と受信局の位置関係・航空機と受信局の位置関係

位置精度 σ×DOP位置精度＝σ×DOP

1818DOP: Dilution Of Precision

精度劣化指数（DOP）

○受信局が囲む配置となった場合に良好

8

DOP値6

DOP値受信局 4

2

位置精度＝σ×DOPWAMでは広範囲な受信局の配置が必要19

位置精度＝σ×DOP19

WAMでは広範囲な受信局の配置が必要

高性能化のポイント（おさらい）

→信号検出時刻の測定精度（σ）・受信局間の時刻同期精度・受信局間の時刻同期精度・時刻検出の分解能

→精度劣化指数（DOP）航空機と受信局の位置関係・航空機と受信局の位置関係

サンプリング周波数を高くすることが重要

干渉に強い信号処理技術の採用が重要干渉に強い信号処理技術の採用が重要

WAMでは広範囲な受信局の配置が必要2020

WAMでは広範囲な受信局の配置が必要

評価用装置の構成

受信局１評価用装置表示装置 受信局

受信局２W

表示装置

最小構成受信局３

受信局４

処理装置 AN

統合装置 ４局受信局４

送信局SSR

モードS

○基礎実験の対象：受信局

SSR S d S ill R d2121

SSR: Secondary Surveillance Radar

受信局の機能構成

SSR空中線 GPS空中線

受信部 GPS受信機

デコード部 タイミング部時刻同期

Common Viewを採用

処理部 インタフェースサンプリング周波数500MHzを採用

電源部 各部信号処理方式

SSRモードＳの技術

500MHzを採用

一般的な装置

AC入力 処理装置

SS モ ドＳの技術

耐干渉性は特に考慮されていない

装100MHz

2222

AC入力 処理装置耐干渉性は特に考慮されていない

実験方法

○受信局配置：羽田空港周辺台場10NM→対象覆域：10NM

○評価項目：位置精度

台場

蟹ヶ谷

10NM

○評価項目：位置精度→真位置：キネマティックGPS

蟹ヶ谷

○監視データの取得→飛行検査機を利用

羽田

海ほたる

北風 南風北風 南風

受信局配置

2323

実験内容（高性能化の検証）

○高性能化のために適用した技術の事前検証○高性能化のために適用した技術の事前検証→一般的な技術で時刻を検出する既存装置→同じアンテナ配置（同一条件）で性能比較→同じアンテナ配置（同一条件）で性能比較

時刻検出技術の比較

時刻同期手法 分解能（サンプリング）

評価用装置 GPS C Vi 方式 2ナノ秒（500MH ）

時刻検出技術の比較

評価用装置 GPS Common View方式 2ナノ秒（500MHz）

既存装置 基準局方式 10ナノ秒（100MHz）

2424

実験航跡

羽田空港評価用装置

GPS航跡 羽田空港既存装置

5NM 5NM5NM 5NM

10NM 10NM

○GPS航跡と一致した正確な測位○航跡抜けは最低受信数4局：局数追加で改善可能

2525

○航跡抜けは最低受信数4局：局数追加で改善可能

位置精度の比較

距 離 評価用装置 既存装置

10NM～5NM 83m (110) 89m (143)

5NM～GND 12m (88) 20m (150)

○既存装置と比較して良好な性能

( ) ( )

括弧内の数字：信号検出数○既存装置と比較して良好な性能

信号干渉の影響○信号検出数が少ない

→時刻検出誤差が増大して計算解が収束しない→干渉に強い信号処理方式の適用

高性能化の技術→有効に機能を確認2626

高性能化の技術 有効に機能を確認

WAM有効性の検証

○空港周辺を飛行する航空機の監視○空港周辺を飛行する航空機の監視→空港面監視用MLAT，電子研SSRと性能比較

参考

空港面監視用MLAT 電子研SSR（走査周期：10秒）

27

港 電 研 （走 周期 秒）

MLAT: Multilateration, SSR: Secondary Surveillance Radar

WAM有効性の検証

○DOP値分布の比較

10 10NM

WAM評価用装置 空港面監視用MLAT

10NM 10NM

5NM5NM

MLAT装置

10 20 30 40 50 5NM以遠：DOP悪化

2828

10 20 30 40 50 5NM以遠：DOP悪化

WAM有効性の検証

10NM電子研航跡の比較

評価用装置10NM

5NM

電子研

空港面MLAT5NM

羽田空港 電子研SSR空港 電子研SSR

GPS

航跡の外れ

○空港面用MLAT：8NM付近で航跡の外れが発生

外れ

2929→評価用装置はGPS航跡と一致

WAM有効性の検証

距 離 WAM 空港面MLAT 電子研SSR

位置精度の比較

距 離 WAM 空港面MLAT 電子研SSR

GND～5NM 19m (118) 70m（256） ---

5NM～10NM 53m (168) 694（333） 143m (22)

括弧内の数字信号検出数

WAMは良好なDOPを確保

○位置精度は特に5NM以遠で大きく向上○測位回数は約半数：受信局数の差○測位回数 約半数 受信局数

受信局を柔軟に配置→空港周辺の監視に有効3030

受信局を柔軟に配置 空港周辺の監視に有効

まとめ

○羽田空港周辺でWAM基礎実験○高性能化の技術は有効に機能○WAMは空港周辺の監視に有効○WAMは空港周辺の監視に有効○信号干渉による位置算出の不能

今後は今後は

○干渉に強い信号処理技術の適用○覆域拡大：質問機能、追尾処理機能

3131

謝辞

基礎実験ご協力いただきました

○国土交通省航空局

基礎実験ご協力いただきました

○東京航空局○東京空港事務所○東京空港事務所○飛行検査官室

関係者の皆様、深く感謝致します。

ありがとうございました3232

ありがとうございました